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JP5866461B2 - Isotope modified optical fiber - Google Patents
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Description

本発明は、一般的には、同位体改変光ファイバーに関し、特定的には、Si−29同位体原子枯渇もしくは富化またはGe−73同位体原子枯渇もしくは富化のいずれかのシリカファイバーに関する。   The present invention relates generally to isotopically modified optical fibers, and in particular to silica fibers that are either Si-29 isotope atom depleted or enriched or Ge-73 isotope atom depleted or enriched.

光損失は、典型的には何百キロメートルものシリカ系光ファイバーを含む光ネットワークおよび光リンクの設計および構築の制限因子である。シリカファイバーの光損失は、2つの因子、すなわち、(1)1/λ(ただし、λは波長である)の関数として減衰しかつより短い波長が支配的であるレイリー散乱および(2)より長い波長が支配的であるシリカによる赤外吸収により、主に引き起こされる。典型的なゲルマニア(GeO)ドープシリカコアファイバーは、1510nm〜1610nmで0.189db/km〜0.200db/kmの損失を有する。 Optical loss is a limiting factor in the design and construction of optical networks and links that typically include hundreds of kilometers of silica-based optical fibers. The optical loss of silica fibers is due to two factors: (1) Rayleigh scattering, which is attenuated as a function of 1 / λ 4 where λ is the wavelength and shorter wavelengths are dominant and (2) It is mainly caused by infrared absorption by silica, where long wavelengths are dominant. Typical germania (GeO 2) doped silica core fiber has a loss of 0.189db / km~0.200db / km at 1510Nm~1610nm.

ファイバー領域の同位体改変を利用してより低い伝送率損失を有する光ファイバーを開発する試みがこれまでになされた。米国特許第6,810,197号明細書および同第6,870,999号明細書を参照されたい。損失の改良は、約0.145〜0.155db/kmに限られ、主に最小光損失波長を約1670nmにシフトさせることによりかつ部分的に屈折率ドーパントをゲルマニアから酸素−17に変化させることにより達成されたが、発明者らは、酸素−17の使用に基づく損失減少の理由を認識していなかった可能性がある。   Attempts have been made to develop optical fibers with lower transmission loss utilizing isotopic modification in the fiber region. See U.S. Pat. Nos. 6,810,197 and 6,870,999. Loss improvement is limited to about 0.145 to 0.155 db / km, mainly by shifting the minimum optical loss wavelength to about 1670 nm and partially changing the refractive index dopant from germania to oxygen-17. However, the inventors may not have recognized the reason for the loss reduction based on the use of oxygen-17.

Si−29同位体が1.0000からのシリカの屈折率の変動のほぼすべての源であり、天然同位体比率の酸素−17が通常(天然)レベルでわずかな増加を提供することを、光ファイバー科学技術者は認識してこなかった。同様に、Ge−73同位体(通常使用されるドーパント)がその天然同位体比率で溶融シリカの屈折率を1.46から約1.47に増加させることも、そのような科学技術者は認識してこなかった。また、既存技術の光導波路に存在するレイリー散乱の大部分の原因となるのがSi−29ドーパントであることも、認識されていない。Si−29は、天然に存在する安定なケイ素同位体であので、ドーパントとして認識されていない。   The Si-29 isotope is almost all the source of silica refractive index variation from 1.0000, and the natural isotope ratio Oxygen-17 provides a slight increase at the normal (natural) level. Scientists have not recognized it. Similarly, such technologists recognize that Ge-73 isotope (a commonly used dopant) increases the refractive index of fused silica from 1.46 to about 1.47 at its natural isotope ratio. I did not. Also, it has not been recognized that the Si-29 dopant is responsible for the majority of Rayleigh scattering present in existing optical waveguides. Si-29 is not recognized as a dopant because it is a naturally occurring stable silicon isotope.

したがって、シリカ中のSi−29同位体比率が約1/100(天然の4.67%原子/原子から0.0467%原子/原子)に減少すると1.005の屈折率を有する材料が得られ、1/33に減少すると1.015の屈折率を有する材料が得られるであろう。1.015−1.005=0.010の屈折率差を有するこれらの2つの材料は、それぞれ新しいファイバーのクラッディングおよびコアになるのに十分な適正範囲内にある。   Thus, a material having a refractive index of 1.005 is obtained when the Si-29 isotope ratio in silica is reduced to about 1/100 (from 4.67% atoms / atomic to 0.0467% atoms / atomic). Reducing to 1/33 would yield a material having a refractive index of 1.015. These two materials with a refractive index difference of 1.015-1.005 = 0.010 are in the proper range sufficient to become a new fiber cladding and core, respectively.

同様に、米国特許第6,490,399号明細書には、ケイ素−30によるケイ素−28同位体の置換えが固有IR吸収線をグラフの右方向に移動させる類似の効果を有すると記載されている。この結果、使用可能な新しい伝送領域が開かれる。Si−30によるSi−28の置換えおよびO−18によるO−16の置換えの両方に対する約1610〜約1710ナノメートルの波長の「B」と表示された領域を示す図2を参照されたい。   Similarly, in US Pat. No. 6,490,399, the replacement of silicon-28 isotopes with silicon-30 has a similar effect of moving the intrinsic IR absorption line to the right of the graph. Yes. As a result, a new usable transmission area is opened. See FIG. 2 which shows a region labeled “B” at a wavelength of about 1610 to about 1710 nanometers for both replacement of Si-28 with Si-30 and replacement of O-16 with O-18.

米国特許第6,810,197号明細書の「発明の概要」(第1欄第58行〜第3欄第14行)には、増幅器間距離を125キロメートルから156キロメートルに増加できる可能性があるため、大西洋横断リンクに必要とされる増幅ステーションの数が11ユニット減少すると記載されている。しかしながら、この利点が実際には幻想であることは、ほぼ確実である。1610〜1710を伝送するいずれの実際的リンクも、1510〜1610帯域を利用するように設計されるであろう。また、同位体置換は、1510〜1610nm帯域のほとんどでファイバー伝送を支援しないであろう。1610〜1710帯域を増幅する同一の増幅器ステーションも、1510〜1610帯域を増幅するものであろう。後者の帯域で適正操作を行うには、現在必要とされるものと同一の125キロメートルの増幅器間距離の維持が必要になるであろう。したがって、唯一の使用可能な改良は、シグナルを伝送しうる使用可能な帯域幅を広げることであろう。言い換えれば、Si−30によるSi−28の置換えおよびO−18によるO−16の置換えは、実際には導波路損失の減少に起因するいかなる節約をも可能にしない。また、たとえ帯域を広げても(1610〜1710領域を含めても)、おそらく、波長分割多重(WDM)シグナルが1510〜1610帯域幅のすべてをすでに占有するリンクでのみ有益であるにすぎないであろう。   US Pat. No. 6,810,197, “Summary of the Invention” (column 1, line 58 to column 3, line 14) describes the possibility of increasing the distance between amplifiers from 125 kilometers to 156 kilometers. As such, it is stated that the number of amplification stations required for the transatlantic link will be reduced by 11 units. However, it is almost certain that this advantage is actually an illusion. Any practical link that carries 1610-1710 would be designed to utilize the 1510-1610 band. Also, isotope substitution will not support fiber transmission in most of the 1510-1610 nm band. The same amplifier station that amplifies the 1610-1710 band would also amplify the 1510-1610 band. Proper operation in the latter band will require maintaining the same 125 km inter-amplifier distance as is currently required. Thus, the only available improvement would be to increase the available bandwidth over which signals can be transmitted. In other words, the replacement of Si-28 with Si-30 and the replacement of O-16 with O-18 does not actually allow any savings due to waveguide loss reduction. Also, even if the bandwidth is increased (including the 1610-1710 region), it is probably only beneficial for links where wavelength division multiplexing (WDM) signals already occupy all of the 1510-1610 bandwidth. I will.

同様に、米国特許第6,490,399号明細書中の特開昭60−90845号公報の特許抄録の参照には、−OD基よる既存の−OH基の置換えにより吸収帯域(1400nmを含む)を1710nmよりも長いかなり長波長にシフトさせるべく多孔性SiOプリフォームのジュウテリウムリンスを利用する方法が記載されている。それにもかかわらず、部分的には米国特許第3,933,454号明細書の第7欄第1〜8行、第68行に記載のCl処理の継続的改良により、ファイバー製造業者が−OH含有率減少の良好な成果をすでに挙げているので、その技術は「高コスト」であると記載されている。 Similarly, reference to the patent abstract of JP-A-60-90845 in US Pat. No. 6,490,399 includes an absorption band (including 1400 nm) by replacing the existing —OH group by —OD group. ) Is described using a deuterium rinse of a porous SiO 2 preform to shift to a much longer wavelength longer than 1710 nm. Nevertheless, in part, the continuous improvement of the Cl 2 treatment described in US Pat. No. 3,933,454, column 7, lines 1-8, line 68, allowed fiber manufacturers to The technology is described as “high cost” since it has already been successful in reducing OH content.

しかしながら、これは、とくに1400nmの−OH吸収スペクトル(図2参照)が「レイリー散乱」最小線(図3参照)と比較して十分に低いことを単に意味するにすぎないので、さらなる改良を行っても有益でないと思われる。本発明は、Si−29濃度を1/50〜1/100またはそれ以下まで大幅に減少させることにより(部分的には)、「レイリー散乱」最小強度を大きな関連量だけ大幅に減少させる効果を有するので、特開昭60−90845号公報に記載のジュウテリウム(D)リンスでさらなる有用性をもたらしうるであろう。 However, this only means that the —400 absorption spectrum (see FIG. 2) at 1400 nm, in particular, is sufficiently low compared to the “Rayleigh scattering” minimum line (see FIG. 3). It seems that it is not useful. The present invention has the effect of greatly reducing the “Rayleigh scattering” minimum intensity by a large related amount by significantly reducing the Si-29 concentration to 1/50 to 1/100 or less (partially). Therefore, a deuterium (D 2 ) rinse described in JP-A-60-90845 could provide further utility.

したがって、Si−29を減少させる本発明の一実施形態では、おそらく、ジュウテリウム(D2)リンスさらにはSi−30によるSi−28の置換えまたはO−18によるO−16の置換えまたはその両方からさらなる予想外の利点が得られるであろう。これらの改変を完全に行えば、約0.01db/km以下の損失で少なくとも1230nm〜約2000nmの伝送帯域幅を有する光導波路をもたらしうるので、増幅器ステーションを用いずにまたは多くとも1つの増幅器ステーションを用いて大西洋横断伝送を達成することが可能である。   Thus, in one embodiment of the present invention that reduces Si-29, it is likely that deuterium (D2) rinses and further predictions from Si-28 substitution with Si-30 and / or O-16 substitution with O-18 or both. Outside benefits will be gained. Completely making these modifications can result in an optical waveguide having a transmission bandwidth of at least 1230 nm to about 2000 nm with a loss of about 0.01 db / km or less so that no amplifier station is used or at most one amplifier station Can be used to achieve transatlantic transmission.

この試みにより、「IR吸収」を表す線がこれらのグラフの右方向にシフトされた(図4および5参照)。これは、「IR吸収」と「レイリー[散乱]」と「UV」との和のわずかな低減により最小吸収の減少を引き起こし、得られる伝送帯域幅をやや広げる効果を有していた。   This attempt shifted the line representing “IR absorption” to the right of these graphs (see FIGS. 4 and 5). This has the effect of slightly reducing the minimum absorption due to a slight reduction in the sum of “IR absorption”, “Rayleigh [scattering]” and “UV”, and slightly widening the obtained transmission bandwidth.

しかしながら、本発明は、「IR吸収」線だけでなく実際には「レイリー散乱」線にも作用する。「レイリー散乱」と表示された図10の長い斜線を参照されたい。   However, the present invention works not only on “IR absorption” lines but also on “Rayleigh scattering” lines. See the long diagonal line in FIG. 10 labeled “Rayleigh scattering”.

Si−29散乱中心量を「1/X」に減少させると、「レイリー散乱」線強度は「1/X」〜「1/平方根X」の範囲内に減少するであろう。このため、Si−29濃度を1/33に減少させた場合、レイリー散乱効果に基づく減衰量は、1/33〜1/平方根33(約5.9)に減少するであろう。これにより、1310nm帯域さらには約1650ナノメートルまでの波長で総減衰量が劇的に減少する。   If the Si-29 scattering center amount is reduced to “1 / X”, the “Rayleigh scattering” line intensity will decrease within the range of “1 / X” to “1 / square root X”. Therefore, when the Si-29 concentration is reduced to 1/33, the attenuation based on the Rayleigh scattering effect will be reduced to 1/33 to 1 / square root 33 (about 5.9). This dramatically reduces the total attenuation at the 1310 nm band and even at wavelengths up to about 1650 nanometers.

当然ながら、米国特許第6,810,197号明細書の特徴の一部を組み合わせると、すなわち、コアおよびコア近傍クラッディング領域の両方でO−16をO−18で置き換えかつSi−29同位体比率を1/100(0.0467%Si−29原子/原子)に劇的に減少させると、それらが相まって光導波路を通る信号伝達に起因する総減衰量が顕著に減少する。   Of course, combining some of the features of US Pat. No. 6,810,197, ie replacing O-16 with O-18 in both the core and near-core cladding regions and the Si-29 isotope When the ratio is dramatically reduced to 1/100 (0.0467% Si-29 atoms / atom), the combined attenuation of these together significantly reduces the total attenuation due to signal transmission through the optical waveguide.

米国特許第6,810,197号明細書の著者らは、有用な利点を提供するには、非同位体改変ファイバー中に通常存在するであろう酸素−16の大部分を酸素−18および少なくともいくらかのO−17同位体で同時に置き換える必要があると思っていた。たとえば、米国特許第6,810,197号明細書の請求項1、3、4、および9を参照されたい。   The authors of US Pat. No. 6,810,197 have found that the majority of oxygen-16 that would normally be present in non-isotopically modified fibers is oxygen-18 and at least to provide useful advantages. I thought it was necessary to replace some O-17 isotopes at the same time. See, for example, claims 1, 3, 4, and 9 of US Pat. No. 6,810,197.

これとは対照的に、本発明は、O−17同位体の有無を特定しているが、米国特許第6,810,197号明細書または他の特許もしくは出願の請求項とオーバーラップするよりも十分に低い比率である。   In contrast, the present invention specifies the presence or absence of the O-17 isotope, but rather than overlaps with the claims of US Pat. No. 6,810,197 or other patents or applications. Is a sufficiently low ratio.

光ファイバー導波路の設計技術を熟知している者、すなわち、光ファイバー科学技術者であれば、所与の伝送波長およびコア直径に対して、シングルモード伝送媒体としてまたは他の選択肢のマルチモード伝送媒体として機能させるのに必要な屈折率差を規定することが可能であろう。   Anyone familiar with fiber optic waveguide design techniques, ie, a fiber optic technologist, can serve as a single mode transmission medium or other multimode transmission medium for a given transmission wavelength and core diameter. It would be possible to define the refractive index difference required to function.

溶融シリカの屈折率は、達成されるSi−29同位体比率の減少に依存して、約1.46の天然同位体分布値から1.0000までの実質上任意の値に調整しうる。したがって、屈折率が1.015および1.005である以上の例は、例示的なものであり限定されるものではない。   The refractive index of fused silica can be adjusted from a natural isotope distribution value of about 1.46 to virtually any value up to 1.0000 depending on the Si-29 isotope ratio reduction achieved. Accordingly, the above examples where the refractive indices are 1.015 and 1.005 are illustrative and not limiting.

米国特許第6,128,928号明細書には、光ファイバーのクラッディング領域または内側クラッディング領域に添加された少量の酸化ゲルマニウムドーピングの抗遊離酸素効果が記載されている。しかしながら、それに関連して、Ge−73同位体(米国特許第6,128,928号明細書の著者は、それが屈折率上昇効果の源の大部分であることを認識していない)の屈折率上昇効果は、欠点である。本発明の発明者は、その代わりに、屈折率を上昇させることなく米国特許第6,128,928号明細書と同一の利点を得るべく、Ge−73同位体原子以外のゲルマニウム原子のみ(またはその大部分)の添加を特定する。米国特許第6,128,928号明細書の著者は、天然同位体サンプルの代わりに酸化ゲルマニウムの同位体改変サンプルを使用しうる可能性を明らかに予想していなかった。   US Pat. No. 6,128,928 describes the anti-free oxygen effect of small amounts of germanium oxide doping added to the cladding region or inner cladding region of an optical fiber. In that regard, however, the refraction of the Ge-73 isotope (the author of US Pat. No. 6,128,928 is not aware that it is the majority of the source of the refractive index increasing effect). The rate increase effect is a drawback. Instead, the inventor of the present invention instead only has germanium atoms (or Ge-73 isotope atoms) other than Ge-73 isotope atoms to obtain the same advantages as US Pat. No. 6,128,928 without increasing the refractive index The majority)) is identified. The author of US Pat. No. 6,128,928 did not clearly anticipate the possibility that a germanium oxide isotope modified sample could be used instead of the natural isotope sample.

本発明の発明者は、1977年の秋にMITで「8.03」と番号付けられた物理学コースを受けて、光学および導波路の原理を熟知していた。(   The inventor of the present invention received a physics course numbered “8.03” at MIT in the fall of 1977 and was familiar with the principles of optics and waveguides. (

2007年の初めに、本発明者は、光ファイバーの構築および使用の非常に高度な技術的側面に関する1979年の本を読む機会を得た。2008年11月/12月に、本発明者は、Corning Glass Works対Sumitomo Electric U.S.A.の671F.Supp1369(S.D.N.Y.1987)の地方裁判所判例および868F.2d1251(Fed.Cir.1989)の連邦巡回控訴裁判判例の両方を読む機会を得た。これは、光ファイバー研究の歴史の非常に広範にわたる考察およびその構築および設計に関する詳細を提供した。   At the beginning of 2007, the inventor had the opportunity to read a 1979 book on very advanced technical aspects of optical fiber construction and use. In November / December 2008, the inventor made Corning Glass Works vs. Sumitomo Electric US. S. A. 671F. SuppF 1369 (S.D.N.Y. 1987) District Court case and 868F. I had the opportunity to read both of the Federal Circuit appeal cases of 2d1251 (Fed.Cir. 1989). This provided a very extensive discussion of the history of optical fiber research and details on its construction and design.

本発明者はまた、偶然、全部で約256種の各元素の天然に存在する同位体のリストを取得した。ケイ素は、約92%Si−28、4.67%Si−29、および3.1%Si−30からなる。ゲルマニウムは、約7.8%Ge−73である。所与の核種(同位体核)は、奇数のプロトンまたは奇数の中性子のいずれかを有する場合、「スピン」(実際には「電磁スピン」)と呼ばれる性質を有する。したがって、ケイ素の同位体のうちSi−29(4.67%原子/原子)のみが「スピン」を有し、かつGe−73(7.8%原子/原子)のみが「スピン」を有していた。   The inventor also accidentally obtained a list of naturally occurring isotopes of each of approximately 256 elements in total. Silicon consists of about 92% Si-28, 4.67% Si-29, and 3.1% Si-30. Germanium is about 7.8% Ge-73. A given nuclide (isotope nucleus) has a property called “spin” (actually “electromagnetic spin”) when it has either an odd number of protons or an odd number of neutrons. Thus, of the silicon isotopes, only Si-29 (4.67% atom / atom) has "spin" and only Ge-73 (7.8% atom / atom) has "spin". It was.

「スピン」は、単一不対核子の存在状態が維持されるという事実により引き起こされる永久的揺らぎであると考えられうる。それにより、(正荷電)核の振動が引き起こされて、その核は小さな棒磁石のように挙動する。このスピンは、核磁気共鳴分析(最も一般的には水素−1原子が用いられる)および磁気共鳴イメージングに使用可能である。同位体はまた、化学反応機構を追跡すべく「トレーサー」として使用されることもある。   “Spin” can be thought of as a permanent fluctuation caused by the fact that a single unpaired nucleon exists. This causes vibration of the (positively charged) nucleus, which behaves like a small bar magnet. This spin can be used for nuclear magnetic resonance analysis (most commonly hydrogen-1 atoms are used) and magnetic resonance imaging. Isotopes may also be used as “tracers” to track chemical reaction mechanisms.

Corningの判例を読むことにより、本発明者は、シリカ(SiO2)への約8%(重量/重量)のゲルマニア(GeO2)の添加が純粋シリカの屈折率(1.4584)を約1.466まで上昇させる効果を有することを知った。しかし、本発明者には、なぜそうなるのか不思議であった。本発明者は、次のことに気が付いた。ケイ素原子がわずか4.67%しかスピンを含有しておらず、かつ交換ゲルマニウム原子が7.8%Ge−73であったので、材料でさえも空気の屈折率または真空の屈折率(1.000)よりも大きい屈折率を有することの根底にある理由が電磁スピン含有原子の存在であると本発明者は考えた。そして、本発明者が正しかったことが判明する。そのときでさえも、本発明者は、屈折率に対して所与のGe−73原子が全体としてSi−29原子よりも大きい効果を及ぼすかを本発明者が知らないことがわかったが、それは、本発明者がそのとき答えられなかった疑問であった。   By reading the Corning case, the inventor found that the addition of about 8% (weight / weight) germania (GeO2) to silica (SiO2) reduced the refractive index of pure silica (1.4584) to about 1.466. Knew that it has the effect of raising. However, the present inventor was wondering why this was the case. The inventor has noticed the following. Since the silicon atom contained only 4.67% spin and the exchange germanium atom was 7.8% Ge-73, even the material had a refractive index of air or a refractive index of vacuum (1. The inventor thought that the underlying reason for having a refractive index greater than 000) is the presence of electromagnetic spin-containing atoms. It turns out that the inventor was correct. Even then, the inventor found that the inventor did not know if a given Ge-73 atom had a greater effect on the refractive index than the Si-29 atom overall, That was a question that the inventor could not answer at that time.

しかし、シリカが1.000を超える屈折率を有することの根底にある理由がSi−29でありうると気付いてから、以下のようないくつかの考えが次々と導かれた。
1.シリカにGeO2を添加するのではなくシリカにSi−29を添加すれば、その屈折率をクラッディング領域の屈折率よりも増加させることが可能である。
2.クラッディング領域のSi−29同位体原子比率をコア中よりも増加させるのではなく低減させれば、機能的光導波路にするのに必要な屈折率差を生成することが可能である。
However, after realizing that Si-29 could be the underlying reason that silica has a refractive index greater than 1.000, several ideas were led in turn.
1. If Si-29 is added to silica instead of adding GeO2 to silica, the refractive index can be increased more than the refractive index of the cladding region.
2. If the Si-29 isotope atomic ratio in the cladding region is reduced rather than increased than in the core, it is possible to generate the refractive index difference necessary to make a functional optical waveguide.

これらの考えはいずれも興味深いが、光ファイバー製造業に利点のわずかな増加を提供するにすぎないであろう。いずれの考えも、ゲルマニアドープ光ファイバーよりもわずかに光損失を減少させるであろうが、いずれの場合も、速度因子は、既存の光ファイバーに特有なcの68%近傍に維持されるであろう。   Both of these ideas are interesting, but will only provide a slight increase in benefits to the optical fiber manufacturing industry. Either idea will reduce light loss slightly over germania-doped optical fibers, but in either case, the rate factor will be maintained near 68% of c typical of existing optical fibers.

大きな疑問は、コアおよびクラッディングの屈折率をどれくらい低くしてもコアおよびクラッドが依然として導波路として機能するかということであった。これまで知られているかぎり、唯一の限界は、クラッディング材料の屈折率を真空と同一の値である1.0000の値に低減することが不可能であるということであった。また、そのようなクラッディングを用いた場合、コアは、おそらく、約0.008大きい屈折率を有していなければならないであろう。したがって、それは1.0080であろう。   The big question was how low the refractive index of the core and cladding could still function as a waveguide. As far as is known, the only limitation was that it was impossible to reduce the refractive index of the cladding material to a value of 1.0000, the same value as vacuum. Also, with such a cladding, the core will probably have to have a refractive index that is about 0.008 greater. Therefore it would be 1.0080.

得られるファイバーは、1/1.008またはcの99.2%の速度因子を有するであろう。本発明者は、0.68の既存の速度因子から0.99近傍に信号を加速可能であれば光ファイバーの使用者に非常に有益であることに気付いた。本発明者は、cの98〜99%の速度因子を有する光ファイバーの本発明に気付いていなかった。   The resulting fiber will have a 99.2% rate factor of 1 / 1.08 or c. The inventor has realized that it would be very beneficial to optical fiber users if the signal could be accelerated to near 0.99 from an existing rate factor of 0.68. The inventor was unaware of the present invention of an optical fiber having a rate factor of 98-99% of c.

しかし、これは、驚くべきことではなかった。なぜなら、種々の元素の同位体の必要性がほとんどでなく、科学工業で同一の元素の同位体を分離するごくわずかな試みを行うだけでよいからである。   But this was not surprising. This is because there is little need for isotopes of various elements and only a few attempts to separate the isotopes of the same element in the scientific industry are required.

化学分野では、化学反応を解析すべく、トレーサー(安定)同位体タグ付け化学物質が使用されることがある。   In the chemical field, tracer (stable) isotope tagged chemicals are sometimes used to analyze chemical reactions.

2000年の初期に、まさに安定同位体増強という主題の3つの特許が認可された。1つは、Deutsche Telekomの特許、2つは、Corningの特許であった。しかし、改変に関して論じられた同位体比率は、Si−28対Si−30またはO−16対O−18およびより少量の範囲内でO−16対O−17にすぎなかった。Si−29だけは、考慮されていなかった。   In the early 2000s, three patents on the subject of stable isotope enhancement were granted. One was the Deutsche Telekom patent and the second was the Corning patent. However, the isotope ratios discussed for modification were only Si-16 to Si-30 or O-16 to O-18 and O-16 to O-17 within a smaller range. Only Si-29 was not considered.

必要な同位体改変前駆体(SiCl4、四塩化ケイ素)の生成機構は、すでに存在する。「Silicon Kilogram Project」(Google「Silicon Kilogram Sphere」)を参照されたい。彼らは、ロシアのガス遠心分離機でケイ素含有前駆体(おそらく、シラン(SiH)または四フッ化ケイ素(SiF)のいずれかであった)を分離し、その後、それを単結晶ケイ素に変換した。その代わりに、本発明は、Corningが1976年に特許化したのと同一のタイプの光ファイバー製造プロセスへの投入物として直接使用可能である、SiCl4に変換されるシランまたは四フッ化ケイ素を必要とする。 A mechanism for the production of the necessary isotopically modified precursors (SiCl4, silicon tetrachloride) already exists. See "Silicon Kilogram Project" (Google "Silicon Kilogram Sphere"). They separated a silicon-containing precursor (probably either silane (SiH 4 ) or silicon tetrafluoride (SiF 4 )) in a Russian gas centrifuge and then converted it into single crystal silicon Converted. Instead, the present invention requires a silane or silicon tetrafluoride converted to SiCl4 that can be used directly as an input to the same type of optical fiber manufacturing process that Corning patented in 1976. To do.

屈折率を大幅に減少させた光伝送性材料および導波路の開発は、光学技術分野で大きな改良をもたらし、光学技術者の長年にわたる切実な要求を満たす。   The development of optically transmissible materials and waveguides with significantly reduced refractive index has led to significant improvements in the optical technology field, meeting the long-standing demands of optical engineers.

本発明は、1.4584の天然の値未満の任意の屈折率を有するシリカ(SiO)の同位体改変物である。これは、天然同位体比率のシリカがcの(1/1.4584)の速度で光を伝送することを意味する。ただし、cは、真空中の光の速度として定義される。(定義によれば、真空は、正確に1.0000の屈折率を有する。)真空中の光の速度は、約299,700キロメートル/秒である。光は、約0.999cで空気中を移動する。図1に示されたグラフは、1989 issue of Encyclopedia Britannica,Macropedia,Volume 23,pages 665−666からの抜粋である。示された最も薄いかつ最も暗い領域は、1880年に利用可能であった光学ガラスに対応する。約1.45未満の屈折率を有する公知のガラスは、1880年に利用できなかったことがわかる。1934年までに、1.40程度の低い屈折率を有するガラスを含む点まで技術が進歩してきた(「通常の光学品」と表示された陰影なしの領域を参照されたい)。 The present invention is an isotope modification of silica (SiO 2 ) having any refractive index below the natural value of 1.4584. This means that natural isotope ratio silica transmits light at a rate of c (1 / 1.4584). Where c is defined as the speed of light in vacuum. (By definition, the vacuum has a refractive index of exactly 1.000.) The speed of light in the vacuum is about 299,700 kilometers / second. Light travels through the air at about 0.999c. The graph shown in FIG. 1 is an excerpt from the 1989 issue of Encyclopedia Britannica, Macropedia, Volume 23, pages 665-666. The thinnest and darkest areas shown correspond to the optical glass that was available in 1880. It can be seen that known glasses having a refractive index of less than about 1.45 were not available in 1880. By 1934, the technology has progressed to the point of including glass with a refractive index as low as 1.40 (see the unshaded area labeled “Regular Optics”).

グラフの残りの部分(薄いティント処理部分)は、「1934年以降に開発された」いろいろな種類のガラスを示している。これらのうち、「フッ化リン酸塩」ガラスおよび「フッ化物」ガラスは、約1.32の屈折率を有する領域を含む。現在入手可能なガラスが1.4584よりもそれほど低い屈折率を有していない理由は、概して、それらが天然同位体比率のシリカで作製されることにある。言い換えれば、それらが含有するSi−29の量は、天然のすべてのケイ素原子の4.67%(原子/原子)である。本発明者は、シリカの屈折率が1.0000よりも大きいという事実の原因がほぼ完全にSi−29(およびはるかに小さい割合でO−17)にあることを見いだした。科学技術者は、同位体比率改変材料を実質上見ていないので、このことを理解していない。彼らが見るシリカは、常に4.67%(原子/原子)のSi−29比率を有する。0.20%Si−29原子/原子の同位体比率を有していれば、1.02の屈折率を有するシリカを作製することが可能である。0.10%Si−29原子/原子の同位体比率を有していれば、1.01の屈折率を有するシリカを作製することが可能であり、他の場合も同様である。効果は正確に直線的ではなく、これらの値は、例示を目的として選択したものであった。   The rest of the graph (thin tinted part) shows various types of glass “developed after 1934”. Of these, the “fluorophosphate” glass and the “fluoride” glass include a region having a refractive index of about 1.32. The reason why currently available glasses do not have a refractive index much lower than 1.4584 is that they are generally made of natural isotope ratio silica. In other words, the amount of Si-29 they contain is 4.67% (atoms / atom) of all natural silicon atoms. The inventor has found that the fact that the refractive index of silica is greater than 1.000 is almost entirely due to Si-29 (and much smaller proportions of O-17). Scientists do not understand this because they do not substantially see isotope ratio modifying materials. The silica they see always has a Si-29 ratio of 4.67% (atoms / atom). If it has an isotope ratio of 0.20% Si-29 atoms / atom, it is possible to produce silica having a refractive index of 1.02. If it has an isotope ratio of 0.10% Si-29 atoms / atom, it is possible to produce silica having a refractive index of 1.01, and the same applies to other cases. The effect was not exactly linear and these values were chosen for illustration purposes.

より特定的には、本発明は、ケイ素同位体Si−29がさまざまな同位体比率で存在する、通常はそれが大幅に枯渇したシリカを含む光導波路に関する。Si−29の同位体比率を天然で通常見いだされる4.67%(原子/原子)から約1/50(約0.093%Si−29同位体比率)に劇的に減少させると、約1.010の屈折率を有する溶融シリカが得られるであろう。これは、天然同位体比率の溶融シリカに存在する1.46の屈折率とは対照的である。本発明の目的は、以下のものを含めて、とくに導波路性能が改良された光導波路を提供することである。
1.通常は1.46の屈折率を有するシリカに関連付けられる0.67(1/1.46=0.67)の値をはるかに超える値に設定可能な信号速度因子。この速度因子は、少なくとも0.995まで調整可能なはずであり、このことは、光信号がcの99.5%の速度でコア領域を通過することを意味する。光は、約0.750cで純水中を移動する。光は、cの約66%で通常型ガラス中を移動する。したがって、データ信号は、通常の従来技術の光ファイバー中の速さの約1.5倍の速さで移動できるであろう。
2.ゲルマニアドープシリカファイバーで通常見られる0.191〜0.200db/kmからの、さらにはアンドープコアシリカファイバーで典型的に見られる0.160db/kmからの、光損失の非常に大きな減少。この減少は、少なくとも1/5になるであろう。また、すべての同位体改変を追加すれば、おそらく1/50よりもかなり小さくなるであろう。後者の値が達成された場合、したがって、0.0032db/kmの損失値が達成された場合、中間再増幅を2回もしくは1回行ってまたはまったく行わずに、大西洋を横断してファイバー信号を伝送することが可能である。レイリー散乱のこの減少は、500nm〜1650nmの帯域のほとんどにわたるであろう。
3.色分散およびパルス広がりの大幅な減少は、400〜700nmの可視波長のほとんど、さらには700〜1650nmの赤外波長のほとんどを含めて、光損失の減少に対応する。
More particularly, the present invention relates to an optical waveguide comprising silica in which the silicon isotope Si-29 is present in various isotope ratios, which are typically highly depleted. When the Si-29 isotope ratio is dramatically reduced from the 4.67% (atom / atom) normally found in nature to about 1/50 (about 0.093% Si-29 isotope ratio), about 1 A fused silica with a refractive index of .010 will be obtained. This is in contrast to the 1.46 index of refraction present in fused silica with a natural isotope ratio. It is an object of the present invention to provide an optical waveguide with improved waveguide performance, including:
1. A signal rate factor that can be set to a value far exceeding the value of 0.67 (1 / 1.46 = 0.67) normally associated with silica having a refractive index of 1.46. This rate factor should be adjustable to at least 0.995, which means that the optical signal passes through the core region at a rate of 99.5% of c. Light travels in pure water at about 0.750c. Light travels in normal glass at about 66% of c. Thus, the data signal could move about 1.5 times faster than in a conventional prior art optical fiber.
2. A very large reduction in light loss from the 0.191 to 0.200 db / km normally found in germania-doped silica fibers and from the 0.160 db / km typically found in undoped core silica fibers. This reduction will be at least 1/5. Also, adding all the isotopic modifications will probably be much smaller than 1/50. When the latter value is achieved, and therefore when a loss value of 0.0032 db / km is achieved, the fiber signal is traversed across the Atlantic with or without intermediate re-amplification. It is possible to transmit. This reduction in Rayleigh scattering will span most of the 500 nm to 1650 nm band.
3. A significant reduction in chromatic dispersion and pulse broadening corresponds to a reduction in light loss, including most of the visible wavelengths from 400 to 700 nm, and most of the infrared wavelengths from 700 to 1650 nm.

一実施形態では、クラッディングの屈折率を約1.005に減少させることと、1.015のコアの屈折率と、を組み合わせれば、約0.985の速度因子がもたらされるであろう。このことは、データ信号が真空中を移動する光の速度の約98.5%の速度で移動することを意味する。この特定の実施形態では、コアとクラッディングとの屈折率差は、少なくとも以下の4つの機構により達成される。
1.コア領域のシリカのSi−29同位体比率を約4.67%/30に減少させると同時に、クラッディング領域のSi−29同位体比率を約4.67%/100に変化させる。
2.コア領域およびクラッディング領域の両方のSi−29同位体比率を約4.67%/100に減少させると同時に、いくらかのGe−73同位体(またはより多くの比率の天然同位体ゲルマニア)を添加して屈折率を1.015に増加させる。
3.コア領域およびクラッディング領域の両方のSi−29同位体比率を約4.67%/100に減少させると同時に、適正導波路作用を維持するのに十分なレベルにコアの屈折率を上昇させるのに十分な程度に、天然に見いだされる0.038%の比率よりも大きい比率の酸素−17同位体原子を添加する。
4.コア領域およびクラッディング領域の両方のSi−29同位体比率を約4.67%に減少させると同時に、適正導波路作用を維持するのに十分なレベルにコアの屈折率を上昇させるのに十分な程度に、酸素−17同位体およびゲルマニウム−73同位体の両方(または酸素−17同位体原子および有意同位体比率のゲルマニウム−73を含有するいくらかのゲルマニアの両方)をコア領域量で添加する。
In one embodiment, reducing the cladding refractive index to about 1.005 and the core refractive index of 1.015 would result in a rate factor of about 0.985. This means that the data signal travels at a rate of about 98.5% of the speed of light traveling in the vacuum. In this particular embodiment, the refractive index difference between the core and the cladding is achieved by at least the following four mechanisms.
1. The Si-29 isotope ratio of the silica in the core region is reduced to about 4.67% / 30, while the Si-29 isotope ratio of the cladding region is changed to about 4.67% / 100.
2. While reducing the Si-29 isotope ratio in both the core and cladding regions to about 4.67% / 100, add some Ge-73 isotopes (or higher ratios of natural isotope germania) To increase the refractive index to 1.015.
3. Reducing the Si-29 isotope ratio in both the core region and the cladding region to about 4.67% / 100 while simultaneously increasing the refractive index of the core to a level sufficient to maintain proper waveguide action A ratio of oxygen-17 isotope atoms greater than the 0.038% ratio found in nature is added.
4). Sufficient to raise the refractive index of the core to a level sufficient to maintain proper waveguide action while simultaneously reducing the Si-29 isotope ratio in both the core region and the cladding region to about 4.67% To some extent, both oxygen-17 and germanium-73 isotopes (or both germanium-73 containing both an oxygen-17 isotope atom and a significant isotope ratio of germanium-73) are added in core region quantities. .

他の実施形態では、コア領域およびクラッディング領域に対する屈折率の設定値は、異なる値に設定されるが、その差が導波路の動作を行うように機能する関係を維持する。それらは、たとえば、1.04のコア屈折率および1.03のクラッディング屈折率に設定されうる。   In other embodiments, the refractive index setpoints for the core and cladding regions are set to different values, but the difference maintains the relationship that functions to perform the operation of the waveguide. They can be set, for example, to a core refractive index of 1.04 and a cladding refractive index of 1.03.

この選択は、前駆体材料の同位体サンプルを精製する必要性を軽減する。コア領域は、Si−29含有率を天然サンプル中に見いだされる4.67%原子/原子の1/12に減少させたケイ素原子で作製することのみが必要であるにすぎず、一方、クラッディング領域は、Si−29含有率をSi−29同位体原子の4.67%原子/原子の1/17に減少させたケイ素原子で作製することのみが必要であるにすぎない。   This selection alleviates the need to purify isotope samples of precursor material. The core region need only be made of silicon atoms with Si-29 content reduced to 1/12 of 4.67% atoms / atom found in natural samples, while the cladding The region need only be made of silicon atoms with a Si-29 content reduced to 4.17% atoms / atom of 1/17 of Si-29 isotope atoms.

さらに他の実施形態では、コア領域およびクラッディング領域は両方ともほぼ全部が、Ge−73同位体原子の通常比率をそれぞれ1/100および1/300(それぞれ以上の項目1に類似した7.8%/100および7.8%/300原子/原子)に減少させるべく同位体改変されたゲルマニア(GeO)から構築される。同様に、他の実施形態では、コア領域およびクラッディング領域は両方ともほぼ全部が、Ge−73の通常比率を1/300(7.8%/300)に減少させるべく同位体改変されたゲルマニアから構築されるが、コアの屈折率は、Si−29原子もしくはO−17同位体原子またはその両方の少量のドーピングを追加することにより上昇させる。 In still other embodiments, both the core region and the cladding region are substantially all, with the usual ratio of Ge-73 isotope atoms being 1/100 and 1/300, respectively (7.8 similar to item 1 above). % / 100 and 7.8% / 300 atoms / atom) are constructed from germania (GeO 2 ) that has been isotopically modified to reduce it. Similarly, in other embodiments, the core region and the cladding region are both substantially entirely isotopically modified to reduce the normal ratio of Ge-73 to 1/300 (7.8% / 300). However, the refractive index of the core is increased by adding a small amount of doping of Si-29 atoms or O-17 isotope atoms or both.

他の実施形態では、利用しなければならない同位体改変材料の量を低減すべく、コア領域は、内側クラッディング領域により直接取り囲まれるように、次いで、外側クラッディング領域により取り囲まれるように、構築され、外側クラッディング領域で利用される材料は、S9−29同位体がより少ない程度まで枯渇されうる。たとえば、コアは、1.015の屈折率に設定されうるし、内側クラッディングは、1.005の屈折率に設定されうるし、さらに外側クラッディングは、地球上のサンプル中に見いだされる天然同位体比率に見られるこれらの種の4.67%原子/原子(Si−29に対して)または7.8%原子/原子(Ge−73に対して)の比率と同一のまたはそれにより近いSi−29(または他の選択肢としてGe−73)の同位体比率で作製されうる。この構築方法は、利用される材料のコストを最小限に抑える傾向があろう。しかしながら、この技術では、許容可能な比率を超える光が外側クラッディング領域中に「漏れる」ことによりファイバーの総減衰量を増加させることがないように、内側クラッディング/外側クラッディング境界の直径は、コア/内側クラッディング境界の直径よりも十分に大きくなければならないことに留意されたい。光ファイバーの科学技術分野の当業者であれば、損失を許容レベルに低減するのに十分な程度に内側クラッディング領域の外径がコア領域の直径よりも大きいことを数学的に予測し、実験により個別に確認することが可能であろう。   In other embodiments, the core region is constructed to be directly surrounded by the inner cladding region and then surrounded by the outer cladding region to reduce the amount of isotope modifying material that must be utilized. And the material utilized in the outer cladding region can be depleted to a lesser extent of S9-29 isotopes. For example, the core can be set to a refractive index of 1.015, the inner cladding can be set to a refractive index of 1.005, and the outer cladding can be a natural isotope ratio found in samples on Earth. Si-29 that is the same or closer to the ratio of 4.67% atom / atom (relative to Si-29) or 7.8% atom / atom (relative to Ge-73) of these species found in (Or alternatively, Ge-73) isotope ratios. This construction method will tend to minimize the cost of the materials utilized. However, with this technique, the diameter of the inner / outer cladding boundary is such that light exceeding an acceptable ratio does not “leak” into the outer cladding region to increase the total attenuation of the fiber. Note that it must be sufficiently larger than the diameter of the core / inner cladding boundary. Those skilled in the field of optical fiber science and technology have mathematically predicted that the outer diameter of the inner cladding region is larger than the diameter of the core region enough to reduce the loss to an acceptable level, and experimentally It would be possible to check individually.

同位体改変材料の源
シリカは、Si−29同位体原子が枯渇したケイ素含有前駆体から誘導される。これらのケイ素含有前駆体は、少なくとも以下の3つのタイプでありうる。
1)Si−28同位体原子の同位体比率が約99.5%原子/原子まで増強され、かつSi−30同位体原子が非常に少量または無視しうる量まで枯渇している。そのような同位体分布は、軽い分子SiFまたはSiHを選択するガス遠心分離機の排出物から期待可能である。
2)Si−30同位体原子の同位体比率が約90%原子/原子まで増強され、かつSi−28同位体原子が10%以下まで枯渇している。これもまた、重い分子を選択するガス遠心分離機の排出物であろう。
3)Si−29同位体原子の同位体比率が4.67%原子/原子の天然比率から枯渇しているが、それ以外ではSi−28およびSi−30の同位体原子の相対比率が大幅に異なることはない。
Source of isotope modifying material Silica is derived from a silicon-containing precursor depleted of Si-29 isotope atoms. These silicon-containing precursors can be of at least the following three types.
1) The isotope ratio of Si-28 isotope atoms is enhanced to about 99.5% atom / atom and the Si-30 isotope atoms are depleted to a very small or negligible amount. Such an isotope distribution can be expected from gas centrifuge effluents that select light molecules SiF 4 or SiH 4 .
2) The isotope ratio of Si-30 isotope atoms is enhanced to about 90% atoms / atom, and Si-28 isotope atoms are depleted to 10% or less. This will also be the output of a gas centrifuge that selects heavy molecules.
3) Although the isotope ratio of the Si-29 isotope atom is depleted from the natural ratio of 4.67% atom / atom, the relative ratio of the isotope atoms of Si-28 and Si-30 is greatly increased otherwise. There is no difference.

これらの各例では、Si−29比率は、堆積されたままのシリカ材料の特定の屈折率を達成すべく計算された値に設定される。   In each of these examples, the Si-29 ratio is set to a value calculated to achieve a specific refractive index of the as-deposited silica material.

典型的な好ましい実施形態では、約0.1%Si−29同位体原子を含むケイ素原子の同位体分布を有するシリカを利用すると、以上の項目2の90%+Si−30同位体成分と99.5%Si−28同位体成分との主要差は、1600nmを超える波長のIR信号伝送の広い通過帯域をもたらすだろう。広がる透過スペクトルおよび損失値の特定の程度は、ファイバー構築前に容易に予測することはできないが、とくに0.1db/kmを十分に下回る損失では、これらの追加の使用可能な周波数が従来の光導波路技術により予想されてこなかったことは、理解されよう。また、これらの追加の使用可能な周波数は、提供も予見もされてこなかったものであり、超低損失伝送に起因して同等に使用可能な約1400nmからの伝送帯域により達成されたものであることも理解されよう。   In a typical preferred embodiment, using silica having an isotopic distribution of silicon atoms comprising about 0.1% Si-29 isotope atoms, the 90% + Si-30 isotope component of item 2 above and 99. The major difference from the 5% Si-28 isotope component will result in a wide passband for IR signal transmission at wavelengths above 1600 nm. The specific extent of the spread transmission spectrum and loss values cannot be easily predicted prior to fiber construction, but these additional usable frequencies can be compared to conventional optical waveguides, especially at losses well below 0.1 db / km. It will be understood that this has not been anticipated by waveguide technology. Also, these additional usable frequencies have not been provided or foreseen, and have been achieved by a transmission band from about 1400 nm that can be used equally due to ultra-low loss transmission. You will understand that too.

本発明の他の目標および目的の認識ならびにそのより完全かつより網羅的な理解は、添付の図面を参照することによりおよび本発明を実施する最良の形態の以下の説明を調べることにより、達成されうる。   Other objects and objects of the invention, as well as a more complete and more complete understanding thereof, will be achieved by referring to the accompanying drawings and by examining the following description of the best mode for carrying out the invention. sell.

図1は、一連の光学ガラスの屈折率n対収斂性νのグラフである。Glass in Modern World by F.J.Terence Maloney,1968,Doubleday & Company,Inc.から抜粋。FIG. 1 is a graph of refractive index n versus convergence ν for a series of optical glasses. Glass in Modern World by F.M. J. et al. Terence Maloney, 1968, Doubleday & Company, Inc. Excerpt from 図2は、国際公開第2003/0002834号パンフレットの図1の再現である。FIG. 2 is a reproduction of FIG. 1 of WO2003 / 0002834 pamphlet. 図3は、米国特許第6,490,399号明細書の図1の再現である。FIG. 3 is a reproduction of FIG. 1 of US Pat. No. 6,490,399. 図4は、米国特許第6,810,197号明細書の図4の再現である。FIG. 4 is a reproduction of FIG. 4 of US Pat. No. 6,810,197. 図5は、米国特許第6,810,197号明細書の図5の再現である。FIG. 5 is a reproduction of FIG. 5 of US Pat. No. 6,810,197. 図6は、米国特許第6,810,197号明細書の図9の再現である。FIG. 6 is a reproduction of FIG. 9 of US Pat. No. 6,810,197. 図7は、米国特許第6,810,197号明細書の図12の再現である。FIG. 7 is a reproduction of FIG. 12 of US Pat. No. 6,810,197. 図8は、米国特許第6,810,197号明細書の図10の再現である。FIG. 8 is a reproduction of FIG. 10 of US Pat. No. 6,810,197. 図9は、米国特許第6,810,197号明細書の図11の再現である。FIG. 9 is a reproduction of FIG. 11 of US Pat. No. 6,810,197. 図10は、米国特許第6,810,197号明細書の図2の再現である。FIG. 10 is a reproduction of FIG. 2 of US Pat. No. 6,810,197.

本発明の利点
Si−29含有率を天然の4.67%原子/原子から約0.01%さらにはそれ以下に減少させることにより、1.001程度の小さい屈折率を有するガラス材料が入手可能であるので、導波路のコアの屈折率は、約1.001〜1.002が可能であり、したがって、そのファイバーを介して伝送される信号の「速度因子」は、少なくとも(1/1.001)またはcの99.9%程度に高くすることが可能である。
Advantages of the present invention By reducing the Si-29 content from natural 4.67% atoms / atom to about 0.01% and even lower, glass materials with a refractive index as low as 1.001 are available. Thus, the refractive index of the core of the waveguide can be about 1.001 to 1.002, so the “rate factor” of the signal transmitted through the fiber is at least (1 / 1.1. 001) or c can be as high as 99.9%.

既存の光ファイバーケーブルは、典型的には、約(1/1.47)または「c」の68%の速度因子で動作する導波路を利用する。信号は、ニューヨークとロンドンとの間のケーブル長である約6,000キロメートルの距離を約36ミリ秒以内の一方向遅延で伝送可能である。より直線状かつより直接的になるように設計された現在提案されている経路を利用しても、5000のケーブル距離および30ミリ秒の一方向遅延が、現在の技術により提供可能な最小のものである。   Existing fiber optic cables typically utilize waveguides that operate at a rate factor of about (1 / 1.47) or 68% of “c”. The signal can be transmitted over a distance of about 6,000 kilometers, the cable length between New York and London, with a one-way delay within about 36 milliseconds. Even with the currently proposed route designed to be more linear and more direct, the cable distance of 5000 and the one-way delay of 30 milliseconds are the smallest that current technology can provide It is.

しかしながら、このファイバーをこれまでの典型的な68%の値ではなく99.5%の速度因子を有するファイバーに変えると、より長い経路で36ミリ秒の約2/3すなわち24ミリ秒の一方向遅延が得られる。通常のケーブルを用いたときに30ミリ秒の一方向遅延を有すると予測されるより短い経路でそのより高速のファイバーを使用すると、30ミリ秒の2/3すなわち20ミリ秒の一方向遅延が得られるであろう。   However, changing this fiber to a fiber with a rate factor of 99.5% instead of the typical 68% value so far, about 2/3 of 36 milliseconds or 24 milliseconds in one direction on the longer path. Delay is obtained. Using that higher speed fiber with a shorter path expected to have a one-way delay of 30 milliseconds when using a normal cable, two-thirds of 30 milliseconds, or a one-way delay of 20 milliseconds. Will be obtained.

この種の信号遅延差は、リアルタイムインタラクティブビデオ、サーバーレスポンス、データベースルックアップ、インターネットゲーム、および待ち時間の短い電話通信一般にきわめて重要である。また、それにより、データベースおよび他のサーバーを同一の遅延でユーザーからさらに離れた位置に置くことが可能なる。   This type of signal delay difference is extremely important for real-time interactive video, server response, database lookup, Internet games, and low latency telephony in general. It also allows the database and other servers to be located further away from the user with the same delay.

証券取引所などの金融市場は、とくに影響を受けるであろう。各方向で数ミリ秒の追加の遅延を生じると、大量株式取引企業は、毎月何千万ドルものがコストがかかる可能性がある。ニューヨークとロンドンとの間で遅延が2/3に減少すると、またはニューヨークとロサンゼルスとの間で36ミリ秒から24さらには20ミリ秒に減少すると、一国だけでなく最終的には全世界がより密接に結ばれるであろう。   Financial markets such as stock exchanges will be particularly affected. With an additional delay of a few milliseconds in each direction, large stock trading companies can cost tens of millions of dollars each month. When the delay between New York and London is reduced to 2/3, or between New York and Los Angeles from 36 milliseconds to 24 or even 20 milliseconds, not just one country but eventually the whole world It will be tied more closely.

インターネットゲームは、他の用途である。現在、たとえば、ニューヨークおよびオーストラリアのシドニーに位置する2つのユーザーは、(味気ない)ディジタルコンバットでロックされ、それらのコンピューターは、相手が行った100ミリ秒後にわかるにすぎない。こうした遅延は、小さいことのように思われるが、かなり目立ち、ゲームの流れに実質的な影響を及ぼす。一方向リンク遅延が100ミリ秒から67ミリ秒に2/3に減少すると、理論上可能な最小遅延が提供されるであろう。   Internet games are another use. Currently, for example, two users located in New York and Sydney, Australia, are locked with (taste) digital combat, and their computers are only known 100 milliseconds after the other party has done. These delays appear to be small, but are quite noticeable and have a substantial impact on the game flow. If the one-way link delay is reduced to 2/3 from 100 milliseconds to 67 milliseconds, the minimum theoretically possible delay will be provided.

光損失上の利点
約1560nmの損失最小における純粋シリカコア導波路の最小光損失は0.151db/kmであると、長い間認識されてきた。これは、Si−30によるSi−28の置換えおよびO−18によるO−16の置換えにより、やや変化した。しかし、0.10db/km未満に改良することは、依然として達成困難であるように思われるとともに、高価であると考えられる。
Advantages on optical loss It has long been recognized that the minimum optical loss of a pure silica core waveguide at a minimum loss of about 1560 nm is 0.151 db / km. This was slightly changed by replacing Si-28 with Si-30 and O-16 with O-18. However, improvements to less than 0.10 db / km still seem difficult to achieve and are considered expensive.

本発明は、Si−29を1/50、1/100、またはそれ以下に減少させることにより、光損失を1/10に、場合により1/100以下に減少させる。これにより、5000キロメートル以上の無中継器間隔を達成することが可能である。   The present invention reduces optical loss to 1/10, and in some cases 1/100 or less, by reducing Si-29 to 1/50, 1/100, or less. This makes it possible to achieve a repeater spacing of 5000 kilometers or more.

光学帯域幅増加の利点
本発明によれば、1510〜1610ナノメートルの現在の光学帯域幅は、少なくとも1450nm〜1800nm、場合により1230nm〜2000に増加される。これらの波長のいくつかを完全に利用するには、好適なトランスミッターレーザーおよび検出器の製造が待たれるが、この新しい伝送領域の大部分は、ほぼ即時に利用できるはずである。いずれの場合も、この新しい容量のファイバーは、即座に設置可能であり、伝統的な1510〜1610帯域で動作可能であり、周波数帯域は、レシーバーおよびトランスミッターが利用可能になったときに拡張可能である。
Advantages of increased optical bandwidth According to the present invention, the current optical bandwidth of 1510 to 1610 nanometers is increased to at least 1450 nm to 1800 nm, and in some cases from 1230 nm to 2000. To fully utilize some of these wavelengths, production of suitable transmitter lasers and detectors is awaited, but most of this new transmission area should be available almost immediately. In either case, this new capacity fiber can be installed immediately, can operate in the traditional 1510-1610 band, and the frequency band can be expanded when receivers and transmitters become available. is there.

しかしながら、追加の帯域幅を増幅する(存在する場合)ファイバーにマッチした増幅器を用いなければ、米国特許第6,810,197号明細書のように、たとえば1610〜1710nmの帯域を含むように1510〜1610nmの光ファイバーの伝送帯域幅を単に増加させることができるだけでは、ほとんど価値がない。エルビウムに基づくファイバー増幅器は、約1520〜1565nmの帯域幅領域で増幅し、これを主伝送領域にする。各増幅器でそのような信号を検出して再伝送することが可能であろうが、これは高価であり、追加の帯域幅を価値のないものにする。より大きい容量を達成すべく追加のファイバーを単に設置するほうが安価であろう。   However, if an amplifier matched to the fiber that amplifies the additional bandwidth (if present) is not used, as in US Pat. No. 6,810,197, 1510 to include a band of 1610-1710 nm, for example. Simply increasing the transmission bandwidth of the ˜1610 nm optical fiber is of little value. Erbium-based fiber amplifiers amplify in the bandwidth region of about 1520 to 1565 nm and make this the main transmission region. While it would be possible for each amplifier to detect and retransmit such a signal, this is expensive and renders additional bandwidth worthless. It would be cheaper to simply install additional fibers to achieve greater capacity.

その代わりに、この帯域幅が利用可能になるだけでなく、約0.01〜0.02db/kmの損失で利用可能であれば、さらに広い帯域が利用可能であり、しかもいかなるファイバー増幅器もまったく用いない(または大西洋のほぼ中央で多くとも1つの検出・再伝送増幅器を用いる)。   Instead, not only is this bandwidth available, but if it is available with a loss of about 0.01-0.02 db / km, a wider bandwidth is available, and any fiber amplifier can be used at all. Not used (or use at most one detection and retransmission amplifier in the middle of the Atlantic).

本発明を利用することにより使用可能な帯域幅は、約1430〜1750の約320nmであり、Si−28対Si−30およびO−16対O−18の通常の同位体分布を使用した場合の1520〜1565nm帯域の45nmの7倍である。ほぼすべてのSi−30さらにはほぼすべてのO−18を利用することにより、利用可能な帯域幅は、1520〜1565nm帯域の約13倍である1430〜2000nmすなわち570nmに増加する。   The bandwidth available by utilizing the present invention is about 320 nm, about 1430-1750, using the normal isotope distribution of Si-28 versus Si-30 and O-16 versus O-18. It is seven times 45 nm of the 1520 to 1565 nm band. By utilizing almost all Si-30 or almost all O-18, the available bandwidth increases to 1430-2000 nm or 570 nm, which is about 13 times the 1520-1565 nm band.

劇的に低減された材料由来分散因子
導波路材料中のSi−29同位体原子比率を大幅に減少させると、それに応じて製造時の光導波路の総分散が大幅に減少するであろう。図6および7を参照されたい。導波路自体に帰属可能な分散部分(図8参照)は、おそらく同じ状態を維持するであろう。また、プロファイル分散は、他の同位体改変プロセスの終了後に残存しうるいずれの残留総分散も相殺するように選択可能である。光ファイバー導波路の設計技術を熟知している者であれば、所望の分散レベルを達成するコア対クラッディングの種々の置換えを規定できるであろう。
Dramatically reduced material-derived dispersion factor A significant reduction in the Si-29 isotope atomic ratio in the waveguide material will correspondingly significantly reduce the total dispersion of the optical waveguide during manufacture. See FIGS. 6 and 7. The dispersive part (see FIG. 8) that can be attributed to the waveguide itself will probably remain the same. The profile variance can also be selected to offset any residual total variance that may remain after the end of other isotope modification processes. Those familiar with fiber optic waveguide design techniques will be able to define various permutations of core-to-cladding to achieve the desired level of dispersion.

本発明は、コア領域およびクラッディング領域のSi−29同位体比率を大幅に減少させる(Si−29比率を存在するすべてのケイ素原子の天然の4.67%原子/原子の約1/3〜1/100に減少させる)ことにより、図9から類推される「O−8コア/O−16クラッド」と合わせて(プロファイルD)、図6から類推される「材料D[分散](コア)」の値の曲線からの大幅な変化および図8から類推される「導波路D[分散]」の曲線のごくわずかな変化(もしあれば)をもたらす再設計光導波路に関する。   The present invention significantly reduces the Si-29 isotope ratio in the core and cladding regions (approximately 1/3 of the natural 4.67% atom / atom of all silicon atoms present in the Si-29 ratio). In combination with “O-8 core / O-16 clad” inferred from FIG. 9 (profile D), “material D [dispersion] (core) inferred from FIG. ”And a redesigned optical waveguide that results in a slight change (if any) in the“ waveguide D [dispersion] ”curve inferred from the curve of FIG.

言い換えれば、図9の線4の単調増加直線は、部分的には、図8の線1〜4の単調減少直線を補償するであろう。これらの値の加算残差は、図6の線4に類似したSi−29減少曲線と組み合わせうる。この組合せは、米国特許第6,810,197号明細書のものよりもはるかに穏やかな傾斜であることが期待できる。   In other words, the monotonically increasing line of line 4 of FIG. 9 will partially compensate for the monotonically decreasing line of lines 1 to 4 of FIG. The additive residual of these values can be combined with a Si-29 decreasing curve similar to line 4 in FIG. This combination can be expected to have a much gentler slope than that of US Pat. No. 6,810,197.

図7の「全D[分散」]に類似した賢明に選択された総分散は、「材料分散]」と「導波路D[分散]」と「プロファイルD[分散]」との線形和になるであろう。また、これは、図7に示される通常の同位体「O−16コア/O−16クラッド」での1.6ミクロンの波長における約20ps/nm/kmの値から非常に大幅に減少した1.0ps/nm/km未満の値でありうる。   The wisely selected total dispersion similar to “total D [dispersion]” in FIG. 7 is a linear sum of “material dispersion”, “waveguide D [dispersion]” and “profile D [dispersion]”. Will. This is also a very significant decrease from the value of about 20 ps / nm / km at a wavelength of 1.6 microns with the normal isotope “O-16 core / O-16 clad” shown in FIG. The value may be less than 0.0 ps / nm / km.

光ファイバー導波路の科学技術者は、分散補償ファイバー(DCF)の必要および使用に長期にわたり慣れ親しんできた。比較的短い長さ(典型的な光導波路リンクに存在する何百キロメートルまたは何千キロメートルと比較して)で使用されるこれらのファイバーの目的は、所与の光信号のさまざまな波長部分の到着時間の変化に対処すること、つまり、その影響を打ち消して完全にもしくは部分的に相殺することである。それらの使用は、所与の実際のデータリンクにより搬送可能な最大ビットレート(技術的にはシンボルレート)を達成できるようにするために重要でありうる。その理由は、所与のビットを構成する光信号の移動の到達時間が分散により時間とともに不鮮明になる傾向があることにある。   Fiber optic waveguide technologists have long been accustomed to the need and use of dispersion compensating fibers (DCF). The purpose of these fibers, used in relatively short lengths (compared to hundreds or thousands of kilometers present in typical optical waveguide links), is the arrival of various wavelength portions of a given optical signal Dealing with changes in time, that is, canceling out the effects and completely or partially offsetting them. Their use can be important in order to be able to achieve the maximum bit rate (technically the symbol rate) that can be carried by a given actual data link. The reason is that the arrival time of movement of the optical signal constituting a given bit tends to become blurred with time due to dispersion.

たとえば、40Gビット/秒(400億ビット/秒)のシンボルレートは、各光信号シンボル中に1ビットが存在する場合、(1/40,000,000,000)ビット時間=25ピコ秒を意味する。この速度40Gビット/秒は、ごく最近設置された(またはアップグレードされた)データリンクで利用される商業的に利用可能な最高速データ転送速度である。しかし、ビット(シンボル)が時間とともにたとえば50ピコ秒以上に広がった場合、25ピコ秒の最小信号時間を検出可能な光検出器を有していても、役に立たない。フーリエの法則によれば、40Gビット/秒の信号の光波長帯域幅は、最小約0.3ナノメートルになるので、20ps/nm/kmの分散を有する従来の非補償ファイバーでは、約4キロメートルのファイバー長さの後、25ピコ秒の時間で分散に起因する不鮮明さを生じる。したがって、短い距離のファイバーでさえも、40Gビット/秒を維持できるようにするには、この分散を補償することが不可欠であることがわかる。   For example, a symbol rate of 40 Gbit / second (40 billion bits / second) means that (1 / 40,000,000,000) bit time = 25 picoseconds when there is one bit in each optical signal symbol. To do. This rate of 40 Gbit / s is the fastest commercially available data transfer rate available on the most recently installed (or upgraded) data link. However, if a bit (symbol) spreads over time, for example over 50 picoseconds, it would be useless to have a photodetector that can detect a minimum signal time of 25 picoseconds. According to Fourier's law, the optical wavelength bandwidth of a 40 Gbit / s signal is a minimum of about 0.3 nanometers, so that a conventional uncompensated fiber with a dispersion of 20 ps / nm / km is about 4 kilometers. After a fiber length of 25 picoseconds, blurring due to dispersion occurs in a time of 25 picoseconds. It can therefore be seen that it is essential to compensate for this dispersion in order to be able to maintain 40 Gbit / s even with short distance fibers.

光ファイバー分散の大部分は、現在、分散補償製品を用いて補償されているが、そのような補償はいずれも、その完全性が100%未満に限られる傾向がある。したがって、主ファイバーがより良好になるほど(そのベースライン分散がより低下するほど)、最終的な補償時光リンク分散がより良好になることが期待できる。天然の非補償ファイバー分散を1/10以下に減少させるという本発明の可能性は、類似の補償時信号分散の改良の可能性を提供する。   The majority of fiber optic dispersion is currently compensated using dispersion compensation products, but any such compensation tends to be limited to less than 100% completeness. Therefore, the better the main fiber (the lower its baseline dispersion), the better the final compensation optical link dispersion. The possibility of the present invention to reduce the natural uncompensated fiber dispersion to 1/10 or less offers the possibility of a similar improved signal dispersion during compensation.

本発明は米国特許第4,435,040号明細書の技術を利用しうる
本発明を用いて構築された光導波路はまた、特定の注意および変更を行って米国特許第4,435,040号明細書に記載のダブルクラッドプロセスを利用できることが期待される。最初に、既存技術の導波路では、コアおよびクラッディングが天然同位体分布のシリカの1.46に非常に近い屈折率を有することに留意すべきである。そのような導波路の光信号の物理的波長は、たとえば、1510ナノメートルを1.46で割り算した値すなわち約1050ナノメートルである。これとは対照的に、屈折率が約1.01である導波路では、その導波路の物理的波長は、1510ナノメートル/1.01すなわち約1495ナノメートルである。導波路内の波の挙動は、光波に対する導波路のサイズに基づくので、コアやクラッディングなどの導波路要素の寸法は、他のすべてが等しい既存技術のファイバーの約1.46/1.01分の1すなわち1.45分の1のサイズになることが期待できる。
The present invention may utilize the technology of US Pat. No. 4,435,040 Optical waveguides constructed using the present invention may also be made with US Pat. No. 4,435,040 with particular care and modifications. It is expected that the double clad process described in the specification can be used. First, it should be noted that in the prior art waveguides, the core and cladding have a refractive index very close to 1.46 of natural isotope-distributed silica. The physical wavelength of the optical signal in such a waveguide is, for example, 1510 nanometers divided by 1.46, or approximately 1050 nanometers. In contrast, for a waveguide with a refractive index of about 1.01, the physical wavelength of the waveguide is 1510 nanometers / 1.01, or about 1495 nanometers. Since the behavior of the wave in the waveguide is based on the size of the waveguide relative to the light wave, the dimensions of the waveguide elements, such as the core and cladding, are about 1.46 / 1.01 of all other equal technology fibers. The size can be expected to be 1/1 / 1.45.

たとえば、米国特許第4,435,040号明細書では、2×4ミクロンすなわち8ミクロンよりも大きい有効コア直径が特定されているが、これは、8ミクロン×1:45すなわち約11.6ミクロンのコア直径であると解釈されるであろう。同様に、米国特許第4,435,040号明細書では、コア半径と内側クラッディング半径との間で約0.5〜0.8倍の差異が特定されているが、そのような倍数で11.6ミクロンに対して計算すると、内側クラッディングのODは、約23.2ミクロン〜14.5ミクロンになる。   For example, US Pat. No. 4,435,040 specifies an effective core diameter greater than 2 × 4 microns or 8 microns, which is 8 microns × 1: 45 or about 11.6 microns. Would be interpreted as a core diameter of Similarly, U.S. Pat. No. 4,435,040 specifies a difference of about 0.5 to 0.8 times between the core radius and the inner cladding radius. When calculated for 11.6 microns, the OD of the inner cladding is approximately 23.2 microns to 14.5 microns.

また、米国特許第4,435,040号明細書では、外側クラッディング領域の厚さは、コア半径の約6〜8倍以上、すなわち(6〜8)×(5.8ミクロン)、すなわち34.8〜46.4ミクロンでなければならないと予測しており、このことから、外側クラッディング領域のODは、11.6+2(34.8〜46.6)、すなわち81.2〜104.8ミクロンになるであろう。それにもかかわらず、外側クラッディング領域の外側は、他のクラッディング領域、おそらく、通常のシリカの屈折率すなわち1.46と等しい屈折率を有するものにすることが可能である。   Also, in U.S. Pat. No. 4,435,040, the thickness of the outer cladding region is about 6-8 times greater than the core radius, i.e. (6-8) x (5.8 microns), i.e. 34 It is expected that the outer cladding region OD should be 11.6 + 2 (34.8-46.6), ie 81.2-104.8. Will be micron. Nevertheless, the outside of the outer cladding region can have other cladding regions, possibly having a refractive index equal to that of normal silica, ie 1.46.

他の注意点は、米国特許第4,435,040号明細書のような多くの特許が、材料の屈折率の変化パーセントが、たとえば、天然同位体シリカの値すなわち1.46に近いと予想しうる値の「0.1%〜0.6%」であると言及している点である。これは、0.1%×1.46の変化すなわち0.00146の差〜1.46の0.6%すなわち約0.00876であると解釈される。   Another note is that many patents, such as US Pat. No. 4,435,040, expect the percent change in refractive index of the material to be close to, for example, the value of natural isotope silica, or 1.46. This is a point that it is “0.1% to 0.6%” of a possible value. This is interpreted as a change of 0.1% x 1.46 or a difference of 0.00146 to a 0.6% of 1.46 or about 0.00876.

しかし、Si−29含有率を大幅に減少させるように、たとえば、Si−29の天然の4.67%原子/原子の約1/100に減少させるように、したがって、約1.005の屈折率になるように、シリカ材料を同位体改変した場合、その値(1.005)を0.00876減少させることはできない。実際の均一材料の屈折率は、真空の屈折率すなわち1.0000を下回ることはできない。したがって、屈折率に関する変化パーセント(たとえば、「0.1%〜0.6%)をそのまま利用することはできないので、意図されたと思われる1.000の屈折率を上回る屈折率の数値差を反映するように解釈しなければならない。光導波路設計の当業者であれば、1.46近傍の屈折率の材料に対してもともと意図された原理を1.00にかなり近い屈折率の新しい材料に適用すべく首尾よく解釈可能であることが期待できる。   However, to significantly reduce the Si-29 content, for example, to reduce it to about 1/100 of the natural 4.67% atom / atom of Si-29, therefore, a refractive index of about 1.005. Thus, when the silica material is isotope modified, the value (1.005) cannot be reduced by 0.00876. The refractive index of the actual uniform material cannot be less than the refractive index of the vacuum, i.e. 1.000. Therefore, the percentage change in refractive index (for example, “0.1% to 0.6%”) cannot be used as it is, which reflects the numerical difference in refractive index that exceeds the intended refractive index of 1.000. Those skilled in the art of optical waveguide design will apply the principles originally intended for refractive index materials near 1.46 to new materials with a refractive index very close to 1.00. We can expect to be able to interpret it as successfully as possible.

Si−29同位体原子の同位体比率の関数としての溶融シリカの屈折率
以上に述べたように、シリカの屈折率は、ケイ素−29の同位体パーセントがその通常の(天然に見いだされる)値4.67%原子/原子から変化するにつれて変化するであろう。Si−29の所与の比率に対してシリカの屈折率を計算するために、以下の式を使用する。
屈折率(シリカ)=SQRT(1+(1.131((Si−29原子/原子パーセント)/4.67%)))

Figure 0005866461
Refractive Index of Fused Silica as a Function of Isotope Ratio of Si-29 Isotope Atoms As noted above, the refractive index of silica is the normal (naturally found) value of the silicon-29 isotope percentage. It will change as it changes from 4.67% atom / atom. To calculate the refractive index of silica for a given ratio of Si-29, the following equation is used:
Refractive index (silica) = SQRT (1+ (1.131 ((Si-29 atoms / atomic percent) /4.67%)))
Figure 0005866461

天然の値の1/40のSi−29含有率を有する溶融シリカと天然の値の1/100のSi−29含有率を有する溶融シリカとの屈折率差は、1.0140−1.0056=0.0084である。   The difference in refractive index between fused silica having a Si-29 content of 1/40 of the natural value and fused silica having a Si-29 content of 1/100 of the natural value is 1.0140-1.0056 = 0.0084.

この差は、典型的なシングルモード光導波路により利用される屈折率差にほぼ等しい。したがって、0.117%(原子/原子)のケイ素同位体比率を有する純粋溶融シリカを含有するコア領域と、0.0467%(原子/原子)のケイ素同位体比率を有する純粋溶融シリカを含有するクラッディング領域と、を用いて、光導波路を構築することが可能である。外来ドーパントをなんら添加することなく純粋溶融シリカの屈折率の独立精密制御を維持できるので、光導波路の設計者が既存のものよりも強力な光学特性制御が行えることは、光導波路の設計および製造の当業者には明らかであろう。   This difference is approximately equal to the index difference utilized by a typical single mode optical waveguide. Thus, it contains a core region containing pure fused silica having a silicon isotope ratio of 0.117% (atom / atom) and pure fused silica having a silicon isotope ratio of 0.0467% (atom / atom). It is possible to construct an optical waveguide using the cladding region. Optical waveguide designers can control the refractive index of pure fused silica without adding any extraneous dopants, so that optical waveguide designers can control optical properties more powerful than existing ones. Will be apparent to those skilled in the art.

達成可能な最も明白な改良は、1.02のコア屈折率を有する材料を利用した光導波路の構築である。得られる速度因子は、約(1/1.02)またはcの98%であろう。この特性のファイバーは、動作時、関係するデータ待ち時間を劇的に減少させるであろう。   The most obvious improvement that can be achieved is the construction of an optical waveguide utilizing a material having a core refractive index of 1.02. The resulting rate factor will be about (1 / 1.02) or 98% of c. A fiber of this characteristic will dramatically reduce the associated data latency during operation.

それほど明白ではないが、第2の改良は、Si−29同位体原子自体がドーパントに対応するので、かつ光損失がドーパント原子により引き起こされるレイリー散乱の関数であるので、Si−29原子の濃度を1/40に減少させると(以上の例から)、光損失は、ゲルマニアドープコアシリカクラッド光ファイバーで典型的に見いだされる0.19デシベル/キロメートルの値の1/40に減少しうる。この大きさの、おそらく0.005db/kmまでの、光損失であれば、最長ファイバーリンクを除いて光増幅器の必要性を実質上回避しうる。   Although not so obvious, the second improvement is that the Si-29 isotope atom itself corresponds to the dopant, and the optical loss is a function of Rayleigh scattering caused by the dopant atom, so the concentration of Si-29 atom is reduced. When reduced to 1/40 (from the above example), the optical loss can be reduced to 1/40 of the 0.19 decibel / km value typically found in germania-doped core silica clad optical fibers. With this magnitude of optical loss, perhaps up to 0.005 db / km, the need for an optical amplifier can be substantially avoided except for the longest fiber link.

シリカの固有損失がそのように大幅に減少すれば、是正しなければならない製造上の欠点および制約が除去されうる。また、接続損失減少の研究は、新たに緊急性が増すであろう。0.2デシベルの損失の接続は、1.0キロメートルのファイバー損失(0.19db/km)と等価な場合、適正であるように思われうるが、40キロメートルのファイバー損失(40×0.005db/km)と等価であるとみなされる場合、全く許容できなくなるであろう。   If the inherent loss of silica is so greatly reduced, manufacturing defects and constraints that must be corrected can be eliminated. Also, connection loss reduction research will be more urgent. A connection of 0.2 dB loss may appear to be appropriate when equivalent to 1.0 km fiber loss (0.19 db / km), but 40 km fiber loss (40 × 0.005 db) / Km) would be totally unacceptable.

第3の改良は、おそらく、以上の例に記載のSi−29同位体含有率が1/40に減少することにより、1/40程度に、シリカ自体の色分散が劇的に減少する可能性が非常に高いことであろう。総導波路分散は、単に材料だけではなく導波路自体の形状によっても引き起こされる分散の和の関数であるので、達成可能な全体的改良を予測することは、より難しいが、総分散の大きさを1/10に減少させることが可能であると思われる。そのような改良を行えば、より高いシンボルレート(多くの場合、ビットレートに等しい)が可能になり、現在使用されている複雑な分散補償の必要性が劇的に軽減されうる。   The third improvement is that the chromatic dispersion of the silica itself can be dramatically reduced to about 1/40, possibly by reducing the Si-29 isotope content described in the above examples to 1/40. Would be very expensive. Since total waveguide dispersion is a function of the sum of dispersions caused not only by the material but also by the shape of the waveguide itself, it is more difficult to predict the overall improvement that can be achieved, but the magnitude of the total dispersion Can be reduced to 1/10. With such improvements, higher symbol rates (often equal to the bit rate) are possible and the need for complex dispersion compensation currently in use can be dramatically reduced.

第4の改良は、とくに、以上に記載の例でSi−29比率を1/40に減少させることに対応して、全光損失が同じように1/40に減少する場合、使用可能な光周波数幅が大幅に広がることであろう。現在、最長距離のデータリンクは、1540ナノメートル近傍の波長に限られているが、使用可能な領域は、950nmおよび1,400nmの近傍で制限を受けて、おそらく、500〜2000ナノメートルに拡張しうる。そのようなより広い帯域幅を支援するのに必要とされる補助光学部品および電子部品は、利用可能になるにちがいないが、所与の設置されたファイバーは、これらの新しい波長領域を利用するために後で使用しうる。   A fourth improvement is the useable light, especially when the total light loss is similarly reduced to 1/40, corresponding to reducing the Si-29 ratio to 1/40 in the example described above. The frequency range will be greatly expanded. Currently, the longest distance data link is limited to wavelengths near 1540 nanometers, but the usable area is limited near 950 nm and 1,400 nm, possibly extending to 500-2000 nanometers Yes. Auxiliary optics and electronics required to support such wider bandwidths must be available, but a given installed fiber will utilize these new wavelength regions For later use.

1.光導波路は、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたクラッディング層と、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたコア領域と、を含みうる。ただし、前記ガラスの一方または両方は、ケイ素−29同位体原子が4.44%原子/原子未満であるケイ素原子を含有するか、またはゲルマニウム−73同位体原子が7.41%原子/原子未満であるゲルマニウム原子を含有するか、またはその両方である。   1. The optical waveguide includes a cladding layer made of high-purity optical glass mainly made of silica and / or germania, and a core region made mainly of high-purity optical glass made of silica and / or germania. May be included. However, one or both of the glasses contains silicon atoms with silicon-29 isotope atoms less than 4.44% atoms / atom or germanium-73 isotope atoms less than 7.41% atoms / atom Containing a germanium atom, or both.

各パーセントは、各元素の地球上のサンプル中に見いだされる通常のSi−29およびGe−73の同位体原子の同位体比率の0.95倍でありうる。   Each percent can be 0.95 times the normal Si-29 and Ge-73 isotope ratio found in samples of the earth on each element.

この導波路がシリカで構築される場合、コアまたはクラッディング中の前記酸素原子の少なくとも10%は、それぞれ、酸素−18でありうる。   When the waveguide is constructed of silica, at least 10% of the oxygen atoms in the core or cladding can each be oxygen-18.

2.光導波路は、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたクラッディング層と、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたコア領域と、を含みうる。ただし、コア中の酸素の少なくとも50モルパーセントおよび/またはクラッディング中の酸素の少なくとも50パーセントは、酸素−18である。しかしながら、そのほかに、コア領域および/またはクラッディング領域は、酸素−18同位体の量の5原子%未満の比率で酸素−17同位体を含有しうる。   2. The optical waveguide includes a cladding layer made of high-purity optical glass mainly made of silica and / or germania, and a core region made mainly of high-purity optical glass made of silica and / or germania. May be included. However, at least 50 mole percent of the oxygen in the core and / or at least 50 percent of the oxygen in the cladding is oxygen-18. In addition, however, the core region and / or the cladding region may contain oxygen-17 isotopes in a proportion of less than 5 atomic percent of the amount of oxygen-18 isotopes.

3.光導波路は、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたクラッディング層と、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方からなる高純度光学ガラスで形成されたコア領域と、を含みうる。ただし、コアまたはクラッディングまたはその両方の酸素の少なくとも70原子%は、酸素−18である。しかしながら、そのほかに、酸素−17原子の量は、全酸素原子含有率の5原子%未満である。   3. The optical waveguide includes a cladding layer made of high-purity optical glass mainly made of silica and / or germania, and a core region made mainly of high-purity optical glass made of silica and / or germania. May be included. However, at least 70 atomic percent of the core and / or cladding oxygen is oxygen-18. In addition, however, the amount of oxygen-17 atoms is less than 5 atomic percent of the total oxygen atom content.

4.コアまたはクラッディングまたはその両方にドーパントをさらに含む、実施例1、2の光導波路のいずれか。しかしながら、コア中のドーパントは、クラッディング中のドーパントと同一である必要はなく、それらは、コア中およびクラッディング中で同一濃度であるも同一濃度で存在するも必要でない。ドーパントは、天然同位体比率のゲルマニウム、任意の非天然同位体分布のゲルマニウム、もしくはSi−29同位体、またはリン、あるいはそれらの組合せでありうる。   4). Any of the optical waveguides of Examples 1 and 2, further comprising a dopant in the core and / or cladding. However, the dopant in the core need not be the same as the dopant in the cladding, and they need not be the same concentration or present at the same concentration in the core and in the cladding. The dopant can be a natural isotope ratio germanium, any unnatural isotopic distribution germanium, or a Si-29 isotope, or phosphorus, or combinations thereof.

5.実施例1、2、3のすべての光導波路において、Si−29が枯渇したSiOを含有する領域の体積パーセント、またはGe−73が枯渇したGeOを含有する領域の体積パーセントは、50%未満でありうる。 5. In all the optical waveguides of Examples 1, 2, and 3, the volume percentage of the region containing SiO 2 depleted of Si-29 or the volume percent of the region containing GeO 2 depleted of Ge-73 was 50%. Can be less.

6.実施例1の光導波路において、コア中の酸素の少なくとも70原子%は、酸素−18でありうる、またはコアに近接するクラッディングの領域中の酸素の少なくとも70原子%は、酸素−18でありうる、かつ酸素−17の量は、それぞれ、それらの領域中の全酸素原子含有率の5原子%未満でありうる。   6). In the optical waveguide of Example 1, at least 70 atomic percent of oxygen in the core can be oxygen-18, or at least 70 atomic percent of oxygen in the cladding region proximate to the core is oxygen-18. And the amount of oxygen-17 can each be less than 5 atomic percent of the total oxygen atom content in those regions.

7.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、コアは、一定のまたは勾配のある屈折率を有しうる。   7). In any of the optical waveguides according to the present invention, the core may have a constant or gradient refractive index.

8.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、ファイバーは、ガラスまたはプラスチックで作製された外層で取り囲みうる。   8). In any of the optical waveguides according to the present invention, the fiber can be surrounded by an outer layer made of glass or plastic.

9.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、ガラス材料は、コア領域およびクラッディング領域の一方または両方に、Ge−73同位体の同位体比率を多くとも7.2原子に減少させた純粋なまたはドープされたゲルマニアガラスを含みうる。   9. In any of the optical waveguides according to the present invention, the glass material is pure or has an isotope ratio of Ge-73 isotope reduced to at most 7.2 atoms in one or both of the core region and the cladding region. Can include doped germania glass.

10.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、コア領域またはクラッディング領域またはその両方で、O−18の同位体比率は、存在する全酸素同位体原子の少なくとも10原子%かつ多くとも100%に上昇させうる。   10. In any of the optical waveguides according to the present invention, in the core region and / or the cladding region, the O-18 isotope ratio is increased to at least 10 atomic percent and at most 100% of the total oxygen isotope atoms present. It can be made.

11.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、Si−29同位体は、コアまたはクラッディングまたはその両方にドーパントとして存在する。   11. In any of the optical waveguides according to the present invention, the Si-29 isotope is present as a dopant in the core and / or the cladding.

12.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、O−17同位体の比率は、地球上に見いだされる0.038原子%の天然のO0−17同位体比率を上回りうる。   12 In any of the optical waveguides according to the present invention, the O-17 isotope ratio can exceed the natural O0-17 isotope ratio of 0.038 atomic% found on the earth.

13.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、O−17は、地球上に見いだされる0.038原子%の天然O−17同位体比率からコアまたはクラッディングで枯渇させうる。そのほかに、天然比率または非天然比率でコアまたはクラッディングまたは両方にSi−29同位体が存在しうる。   13. In any of the optical waveguides according to the present invention, O-17 can be depleted in the core or cladding from the natural O-17 isotope ratio of 0.038 atomic% found on the earth. In addition, Si-29 isotopes can be present in the core or cladding or both in natural or non-natural ratios.

14.本発明に係る光導波路は、コア領域とクラッディング領域との屈折率差が、完全にまたは部分的に、ケイ素中のSi−29の同位体比率の差より、またはゲルマニウム中のGe−73の同位体比率の差により、0.001原子%超に維持されるように、設計可能である。   14 In the optical waveguide according to the present invention, the refractive index difference between the core region and the cladding region is completely or partially due to the difference in the isotope ratio of Si-29 in silicon, or Ge-73 in germanium. It can be designed to remain above 0.001 atomic% due to the difference in isotope ratio.

15.本発明に係るいずれの光導波路においても、特開昭60−90845号公報の特許抄録で記載されているように、−OHは、ジュウテリウムリンスを利用して減少させうる。   15. In any of the optical waveguides according to the present invention, as described in the patent abstract of JP-A-60-90845, -OH can be reduced by using deuterium rinsing.

16.本発明に係るいずれの光導波路においても、クラッディングの屈折率は、フッ素化合物を用いて減少させうる。それに加えて、Si−30またはO−18またはその両方の同位体比率は、コアまたはクラッディングまたはその両方で天然のものよりも大きくしうる。   16. In any optical waveguide according to the present invention, the refractive index of the cladding can be reduced by using a fluorine compound. In addition, the isotope ratio of Si-30 or O-18 or both can be greater than that of natural in the core and / or cladding.

17.本発明はまた、4.44原子%未満のSi−29原子または7.41原子%未満のGe−73原子または4.90原子%超のSi−29原子または8.18原子%超のGe−73原子を含有するように同位体改変された、主にシリカまたはゲルマニアまたはその両方で作製された光伝送性材料である。   17. The present invention also includes less than 4.44 atomic percent Si-29 atoms or less than 7.41 atomic percent Ge-73 atoms or greater than 4.90 atomic percent Si-29 atoms or greater than 8.18 atomic percent Ge-. It is a light-transmitting material made primarily of silica and / or germania that has been isotopically modified to contain 73 atoms.

18.本発明に係る光導波路のいずれにおいても、クラッディングまたはクラッディング層は、ゲルマニウム原子の同位体改変サンプルでドープされうるか、または最内側クラッディング層は、存在するゲルマニウム原子の同位体分布のGe−73同位体を多くとも7.2原子%に減少させるように改変されうる。好ましくは、二酸化ゲルマニウムの量は、0.005重量%〜1重量パーセント、より好ましくは約0.1重量%〜約0.5重量%、最も好ましくは約0.1重量%〜約0.3重量%の範囲内である。   18. In any of the optical waveguides according to the present invention, the cladding or cladding layer can be doped with an isotopically modified sample of germanium atoms, or the innermost cladding layer can be an Ge--isotope distribution of germanium atoms present. It can be modified to reduce the 73 isotope to at most 7.2 atomic percent. Preferably, the amount of germanium dioxide is from 0.005% to 1% by weight, more preferably from about 0.1% to about 0.5%, most preferably from about 0.1% to about 0.3%. Within the weight percent range.

特定の実施形態を参照して本発明を記載してきた。しかしながら、以下の特許請求の範囲の趣旨および範囲から逸脱することなく他の改変および増強を行いうることは、本発明が関連する技術分野の当業者には明らかなはずである。   The invention has been described with reference to specific embodiments. However, it will be apparent to one skilled in the art to which this invention pertains that other modifications and enhancements may be made without departing from the spirit and scope of the following claims.

Claims (24)

a)第1の光学ガラスのクラッディング層であって、前記第1の光学ガラスは、シリカ、ゲルマニア、およびシリカとゲルマニアとの混合物の1つを含み、前記第1の光学ガラスは、第1の屈折率を有する、第1の光学ガラスのクラッディング層と、
b)第2の光学ガラスのコア領域であって、前記第2の光学ガラスは、ゲルマニア、およびシリカとゲルマニアとの混合物の1つを含み、前記第2の光学ガラスは、第2の屈折率を有する、第2の光学ガラスのコア領域と
を含む光導波路において、
前記シリカ中のすべての他のSi同位体に対するSi−29の原子パーセントが、
0超かつ4.44未満、および
4.90超かつ100以下
の1つであり、
前記ゲルマニア中のすべての他のGe同位体に対するGe−73の原子パーセントが、
0超かつ7.41未満、および
8.18超かつ100以下
の1つであることを特徴とする光導波路。
a) a cladding layer of a first optical glass, wherein the first optical glass comprises one of silica, germania, and a mixture of silica and germania, the first optical glass comprising: A first optical glass cladding layer having a refractive index of:
b) a core region of a second optical glass, wherein the second optical glass comprises one of germania and a mixture of silica and germania, wherein the second optical glass has a second refractive index An optical waveguide comprising a core region of a second optical glass having
The atomic percent of Si-29 relative to all other Si isotopes in the silica is
One of greater than 0 and less than 4.44, and greater than 4.90 and less than or equal to 100,
The atomic percent of Ge-73 relative to all other Ge isotopes in the germania is
An optical waveguide characterized by being one of more than 0 and less than 7.41, and more than 8.18 and 100 or less.
請求項1に記載の導波路において、シリカ、ゲルマニア、およびシリカとゲルマニアとの混合物の1つで、すべての他のO同位体に対するO−17の原子パーセントが、
0超かつ0.038未満、および
0.038超かつ100以下
であることを特徴とする導波路。
The waveguide of claim 1, wherein the atomic percentage of O-17 relative to all other O isotopes is one of silica, germania, and a mixture of silica and germania.
A waveguide characterized by being greater than 0 and less than 0.038, and greater than 0.038 and less than or equal to 100.
請求項1に記載の導波路において、前記第1の屈折率が前記第2の屈折率よりも低いことを特徴とする導波路。   The waveguide according to claim 1, wherein the first refractive index is lower than the second refractive index. 請求項1に記載の導波路において、前記シリカ中の酸素原子の少なくとも10%が酸素−18であることを特徴とする導波路。   2. The waveguide according to claim 1, wherein at least 10% of oxygen atoms in the silica are oxygen-18. 請求項1に記載の導波路において、前記コア領域中の酸素の少なくとも50モルパーセントが酸素−18であり、かつ前記コア領域中の酸素の5原子パーセント未満が酸素−17であることを特徴とする導波路。   The waveguide of claim 1, wherein at least 50 mole percent of oxygen in the core region is oxygen-18, and less than 5 atomic percent of oxygen in the core region is oxygen-17. Waveguide. 請求項1に記載の導波路において、前記クラッディング層中の酸素の少なくとも50モルパーセントが酸素−18であり、かつ前記クラッディング層中の酸素の5原子パーセント未満が酸素−17であることを特徴とする導波路。   The waveguide of claim 1, wherein at least 50 mole percent of oxygen in the cladding layer is oxygen-18, and less than 5 atomic percent of oxygen in the cladding layer is oxygen-17. A featured waveguide. 請求項1に記載の導波路において、前記コア領域中の酸素の少なくとも70原子パーセントが酸素−18であり、かつ前記コア領域中の酸素の5原子パーセント未満が酸素−17であることを特徴とする導波路。   The waveguide of claim 1, wherein at least 70 atomic percent of oxygen in the core region is oxygen-18, and less than 5 atomic percent of oxygen in the core region is oxygen-17. Waveguide. 請求項1に記載の導波路において、前記クラッディング層中の酸素の少なくとも70原子パーセントが酸素−18であり、かつ前記クラッディング層中の酸素の5原子パーセント未満が酸素−17であることを特徴とする導波路。   The waveguide of claim 1, wherein at least 70 atomic percent of oxygen in the cladding layer is oxygen-18, and less than 5 atomic percent of oxygen in the cladding layer is oxygen-17. A featured waveguide. 請求項1に記載の光導波路において、前記クラッディング層がドーパントをさらに含むことを特徴とする光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein the cladding layer further contains a dopant. 請求項1に記載の光導波路において、前記コア領域がドーパントをさらに含むことを特徴とする光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein the core region further includes a dopant. 請求項9または10に記載の光導波路において、前記ドーパントが、天然同位体分布のゲルマニウム、非天然同位体分布のゲルマニウム、ケイ素−29、リン、ケイ素−29、およびそれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする光導波路。   11. The optical waveguide of claim 9 or 10, wherein the dopant is selected from the group consisting of germanium with a natural isotope distribution, germanium with a non-natural isotope distribution, silicon-29, phosphorus, silicon-29, and mixtures thereof. An optical waveguide characterized by being made. 請求項1に記載の光導波路において、4.67原子パーセント未満のSi−29を含有するシリカを含有する領域の体積パーセントが50未満であることを特徴とする光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein the volume percentage of the region containing silica containing Si-29 of less than 4.67 atomic percent is less than 50. 請求項1に記載の光導波路において、7.8原子パーセント未満のGe−73を含有するゲルマニアを含有する領域の体積パーセントが50未満であることを特徴とする光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein the volume percentage of the region containing germania containing Ge-73 of less than 7.8 atomic percent is less than 50. 請求項1に記載の光導波路において、前記屈折率が半径方向に変化することを特徴とする光導波路。   The optical waveguide according to claim 1, wherein the refractive index changes in a radial direction. 請求項1に記載の光導波路において、前記クラッディング層を取り囲む外層をさらに含むことを特徴とする光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, further comprising an outer layer surrounding the cladding layer. 請求項15に記載の光導波路において、前記外層が、ガラスおよびプラスチックを含む群から選択される物質で構成されることを特徴とする光導波路。   16. The optical waveguide according to claim 15, wherein the outer layer is made of a material selected from the group including glass and plastic. 請求項1に記載の光導波路において、前記第1および第2の光学ガラス中のヒドロキシル濃度が通常の光学ガラスと比較して減少していることを特徴とする光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein a hydroxyl concentration in the first and second optical glasses is reduced as compared with a normal optical glass. 請求項17に記載の光導波路において、ヒドロキシルの減少がジュウテリウムリンスを利用して達成されることを特徴とする光導波路。   18. The optical waveguide according to claim 17, wherein the reduction of hydroxyl is achieved using deuterium rinsing. 請求項1に記載の光導波路において、前記第1の光学ガラスがフッ素含有化合物をさらに含み、それにより前記第1の屈折率がさらに減少していることを特徴とする光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the first optical glass further contains a fluorine-containing compound, whereby the first refractive index is further reduced. 請求項1に記載の光導波路において、前記クラッディング層が0.005〜1重量%の二酸化ゲルマニウムをさらに含むことを特徴とする光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the cladding layer further comprises 0.005 to 1% by weight of germanium dioxide. 請求項1に記載の光導波路において、前記クラッディング層が0.1〜0.5重量%の二酸化ゲルマニウムをさらに含むことを特徴とする光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the cladding layer further comprises 0.1 to 0.5% by weight of germanium dioxide. 請求項1に記載の光導波路において、前記クラッディング層が0.1〜0.3重量%の二酸化ゲルマニウムをさらに含むことを特徴とする光導波路。   2. The optical waveguide according to claim 1, wherein the cladding layer further comprises 0.1 to 0.3% by weight of germanium dioxide. ゲルマニアまたはシリカとゲルマニアとの混合物を含む光伝送性材料において、
前記シリカ中のすべての他のSi同位体に対するSi−29の原子パーセントが、
0超かつ4.44未満、および
4.90超かつ100以下
の1つであり、
前記ゲルマニア中のすべての他のGe同位体に対するGe−73の原子パーセントが、
0超かつ7.41未満、および
8.18超かつ100以下
の1つであることを特徴とする光伝送性材料。
In a light-transmitting material containing germania or a mixture of silica and germania,
The atomic percent of Si-29 relative to all other Si isotopes in the silica is
One of greater than 0 and less than 4.44, and greater than 4.90 and less than or equal to 100,
The atomic percent of Ge-73 relative to all other Ge isotopes in the germania is
An optically transmissive material characterized by being one of more than 0 and less than 7.41, and more than 8.18 and 100 or less.
請求項23に記載の光伝送性材料において、すべての他のO同位体に対するO−17の原子パーセントが、
0超かつ0.038未満、および
0.038超かつ100以下
の1つであることを特徴とする光伝送性材料。
24. The light transmissive material of claim 23, wherein the atomic percent of O-17 relative to all other O isotopes is
An optical transmission material characterized by being one of more than 0 and less than 0.038, and more than 0.038 and 100 or less.
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